Netzwerke Teil 4: OSI-Referenzmodell und Festlegungen

Netzwerke
Teil 4: OSI-Referenzmodell und Festlegungen
Netzwerke – WS 2013/14 - Teil 4/Standards+OSI
16.10.13 1
Wer legt die Protokolle (und Dienste) fest?
Grundlage von Verabredungen in der Kommunikation sind:
– Internationale Standards
– National Standards
– Empfehlungen (Recommendations)
– Request for Comments (RFC)
– Industriestandards
– De Facto-Standards
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Ziele von Standards
• Herstellen von Kompatibilität zwischen Produkten
verschiedener Hersteller, möglichst weltweit und für einen sehr
langen Zeitraum
Beispiel: M6-Schraube/Mutter
• Eröffnung und Vergrößerung von Märkten
• Verkleinerung von Risiken für den Käufer von Produkten
• Aus der Sicht der Kunden sollten Standards sein:
– Unabhängig von einem Hersteller, so dass eine Auswahl besteht
– Technisch ausgereift (vernünftig): "State of the art"
– Langlebig (zum Investitionsschutz)
• Aus der Sicht der Hersteller sollten sie eher das Gegenteil sein.
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Standards/Normen
• Standard = Norm = Nach der Geschäftsordnung einer weltweit
anerkannten Organisation verabschiedetes Dokument, das
Festlegungen zur Gestaltung technischer Produkte oder
Durchführung von Geschäftsprozessen macht
• Nach DIN 820:
"Normung ist die planmäßige, durch die interessierten Kreise
gemeinschaftlich durchgeführte Vereinheitlichung von materiellen
und immateriellen Gegenständen zum Nutzen der Allgemeinheit."
• Internationale Standards sind weltweit gültig und können nur von
einer anerkannten internationalen Organisation, wie z.B.
– ISO: International Standardization Organization
– IEC: International Electrotechnical Commission
verabschiedet werden.
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Nationale Standardisierungsorganisationen
• In fast allen Ländern gibt es mindestens eine anerkannte
Organisation, die Standards beschließt, die nur für das jeweilige Land
gelten.
• In Deutschland ist dies das Deutsche Institut für Normung (DIN), das
Deutsche Industrie Normen (DIN) herausbringt.
DIN-Standards sind meistens nummeriert und beginnen mit "DIN",
wie z. B. "DIN A 4".
• In Großbritannien ist es das BSI (Britisch Standards Institution)
• In den USA u.a.
–
–
–
–
–
American National Standards Institut (ANSI)
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
Electronic Industry Association (EIA)
Telecommunications Industry Association (TIA)
National Institute of Standards (NIST)
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International Telecommunication Union (CCITT)
• CCITT = Consultative Committee on International Telegraphy and
Telephony
• Gegründet 1865, Sitz in Genf, 1992 154 Mitglieder
• Ab 1992
– ITU =
International Telecommunication Union
http://www.itu.int/net/home/index.aspx
– ITU-T = ITU Telecommunication Standardization Sector
http://www.itu.int/ITU-T/
• Die CCITT war die internationale Dachgesellschaft aller nationalen
Postgesellschaften und hat mit ihren Empfehlungen dafür gesorgt,
dass bei der Kommunikation zwischen den Postgesellschaften alles
kompatibel ist.
Dies betraf neben dem Telefon auch die Datenkommunikation.
• ITU-T gibt keine Standards heraus, sondern Empfehlungen, die eine
Gültigkeit von 2 bis 4 Jahren haben.
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ITU-T
• Die Namen der Dokumente haben einen Buchstaben gefolgt
von einem Punkt mit einer laufenden Nummer.
• Die Buchstaben stehen für Serien, die bestimmten Themen
zugeordnet sind, z. B. I-Serie für ISDN.
Fast alle Buchstaben des Alphabets sind vergeben.
• Beispiele für Serien:
Name
Beschreibung
V-Serie
Schnittstellen zu analogen Netzen (Telefonnetz)
X-Serie
Schnittstellen zu digitalen Datennetzen
I-Serie
ISDN
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Festlegungen des Internets I
• Hier ging die "Standardisierung" den "basisdemokratischen" Weg
der Erarbeitung durch die Betroffenen. Die Strukturen aus der
Frühzeit des Internets sind inzwischen etwas "geordneter". Jede
Person darf Vorschläge unterbreiten.
Slogan auf T-Shirts (IETF-Sitzung):
"We reject kings, presidents, and voting. We believe in rough
consensus and running code."
• Gremium ist die IETF
• Steuerung der offenen Diskussionen erfolgt durch die IESG, die
auch die IRTF betreut.
• IETF = Internet Engineering Task Force, siehe RFC 3935
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Festlegungen des Internets II
• IESG = Internet Engineering Steering Group
http://www.ietf.org/iesg.html
• IRTF = Internet Research Task Force
Beschäftigt sich mit langfristigen Forschungsprojekten
• ICANN = Internet Corporation for Assigned Names and
Numbers
Oberste Organisation für die Verwaltung des Internets
http://www.icann.org/
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Festlegungen des Internets III
• Dokumente:
– Request for Comment (RFC): Festlegung
– For your Information (FYI): Information
• RFCs haben vier Stufen zu durchlaufen, während es die FYIs
mit einer Stufe viel leichter haben;
der ganze Prozess ist in RFC 2026 definiert.
Name
Beschreibung
Jahr
RFC 768
User Datagram Protocol (UDP)
1980
RFC 791
Internet Protocol (IP)
1981
RFC 792
Internet Control Message Protocol (ICMP)
1981
RFC 793
Transmission Control Protocol (TCP)
1981
RFC 959
File Transfer Protocol (FTP)
1985
RFC 997
Internet Numbers
1987
RFC 2616
Hypertext Transfer Protocol, Version 1.1
1999
RFC 2223
Instructions to RFC Authors
1997
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Beispiel RFC 2795 (http://www.ietf.org/rfc/rfc2795.txt)
Network Working Group
Request for Comments: 2795
Category: Informational
S. Christey
MonkeySeeDoo, Inc.
1 April 2000
The Infinite Monkey Protocol Suite (IMPS)
Status of this Memo
This memo provides information for the Internet community. It does
not specify an Internet standard of any kind. Distribution of this
memo is unlimited.
Copyright Notice
Copyright (C) The Internet Society (2000).
All Rights Reserved.
Abstract
This memo describes a protocol suite which supports an infinite
number of monkeys that sit at an infinite number of typewriters in
order to determine when they have either produced the entire works of
William Shakespeare or a good television show. The suite includes
communications and control protocols for monkeys and the
organizations that interact with them.
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World Wide Web Consortium (W3C)
• W3C = World Wide Web Consortium
Erarbeitung technischer Festlegungen für das Web als Teil des
Internets
http://www.w3.org/
• Beispiele:
–
–
–
–
HTML, XHTML
Cascading Style Sheets (CSS)
Extensible Markup Language (XML)
Web Services (SOAP 1.2)
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Herstellervereinigungen
• In einigen Fällen haben sich teilweise bis zu 1.000 Hersteller
weltweit zusammengeschlossen, um einen "Standard" zu
schaffen.
In diesen Vereinigungen sind häufig Mitbewerber.
• In den dazu konkurrierenden Vereinigungen zur Erarbeitung
konkurrierender "Standards" sind häufig dieselben Mitbewerber.
• Diese "Standards" werden manchmal "Industriestandards"
genannt.
• Beispiele für Herstellervereinigungen:
–
–
–
–
–
OSF (Open Software Foundation)
OMG (Open Management Group)
ECMA (European Computer Manufacturers Association)
ATM-Forum
Bluetooth-Forum
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Geschichte des OSI-Modells
• 1984 wurde der Basisteil Standard: ISO IS 7498
• Vom Anfang bis Mitte der 80er Jahre wurden die fehlenden
Teile genormt.
• Die Industrie, die CCITT/ITU-T und insbesondere die Betreiber
des Internets haben das Modell nicht ernst genommen und sind
einen eigenen Weg gegangen, z. B. mit ISDN.
• Heute ist der größte Teil des Referenzmodells Geschichte, nur
das Basis Referenzmodell mit seinen 7 Schichten wird
akzeptiert.
Es bildet auch einen guten Rahmen, der das Verständnis der
Rechnernetze erleichtert.
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Ziele des OSI-Modells I
• Open Systems Interconnection (OSI) hatte ursprünglich
folgende Ziele:
– Hersteller unabhängige, Architektur unabhängige sowie Netz
unabhängige Schnittstelle zwischen beliebigen Rechnern
Dies wurde durch die Metapher der universellen
Kommunikationssteckdose ausgedrückt.
– Konzeptioneller Rahmen
• Das Basis Referenzmodell legt einen Bezug (Reference) fest,
der gerade so gestaltet ist, dass mit so wenigen Vorgaben wie
nur möglich ein Maximum an Kompatibilität erreicht wird.
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Ziele des OSI-Modells II
• Behandlung des Aspektes der Datenübermittlung, d.h. es geht
nicht um die Verarbeitung, sondern nur um den Datenaustausch
• Strukturkonzept einer äußeren Sicht auf ein System: Es werden
keine Vorschriften bezüglich der Implementierung, z. B.
Architektur, Programmiersprache etc. gemacht.
NutzerSicht
(1)
(2)
Implementationssicht
Software
Datenkommunikation
Hardware
ComputerSystem
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Kommunikationssteckdose
(3)
OSI-Sicht
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Die Schichtenstruktur - Überblick
System 1
System 2
System 3
System 4
.....
Anwendung
Darstellung
Steuerung
Transport
Vermittlung
Sicherung
Übertragung
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Grundprinzipien
• System = Zusammensetzung von Hardware und Software, die
Quelle oder Ziel in der Datenkommunikation bildet, also ein
aktives Element des Rechnernetzes ist
• Schicht = Layer = Ebene = System übergreifende
Zusammenfassung von netzwerkweiten Implementen zur
Realisierung eines bestimmten Aspektes der Kommunikation
• Schichten werden wie "Schichten einer Torte " auf einander
gestapelt, so dass nur Schnittstellen jeweils nach oben und
unten vorhanden sind - bis auf die beiden äußersten Schichten.
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Schichten I
Leistungen
Nachrichten
System 1
Schnittstelle
Umformer
System 2
Benutzung
Schnittstelle
Übertragungssystem
Umformer
Medium
Kodierung
(Verstärkung etc.)
Übertragung
Eine Schicht versteckt die Details gegenüber anderen Schichten.
Dies hier ist das abstrakte Bild aus dem Teil über die Grundlagen.
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Schichten II
Nachrichten
System 1
Schnittstelle
System 2
Schnittstelle
Schicht, die etwas leistet
Eine Schicht versteckt die Art und Weise der Leistungserbringung, was den
großen Vorteil der Unabhängigkeit hat: die beiden Systeme funktionieren
ohne jede Änderung, wenn die Innereien der Schichten ausgetauscht werden
und die Schnittstelle unverändert erhalten bleibt.
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Schichten III
System 1
Gewollter Datentransport
Entity 1
System 2
Entity 2
Realer Datentransport
SAP
SAP
Datentransportschicht
Instanzen kommunizieren immer nur über die Dienstleistung einer unteren
Schicht, um einen virtuellen Datentransport auf ihrer Schicht zu realisieren.
Entity = Instanz = Implementierung einer Komponente
SAP = Service Access Point (Schnittstelle)
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Pakete aus mehreren Schichten
• Der Datentransport der
höheren Schicht erfolgt per
Huckepack in den Paketen der
nächst unteren Schicht.
• Wie die russischen Püppchen
werden die Pakete auf der
Sendeseite zum Transport
geschachtelt.
• Beim Empfang wird die
Schachtelung in der
umgekehrte Reihenfolge wieder
abgebaut.
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N
N-1
Kopf
N+1
N
N+1
Daten
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Erläuterungen
• Entity = Instanz = Aktives kommunizierendes Element
innerhalb einer Schicht und gleichzeitig innerhalb eines
Systems
• Entities können in Hardware, z. B. LAN-Karten, oder in
Software, z. B. als Threads im Kernel oder als Prozesse,
realisiert werden.
• Die reale Kommunikation verläuft immer über die Schnittstellen
zu den direkt darunter liegenden Schichten, nie direkt quer.
Einzige Ausnahme: die unterste Schicht
• Bis auf diese Ausnahme ist die Kommunikation innerhalb einer
Schicht virtuell.
• Service Access Point = SAP = Schnittstelle zwischen Schichten,
genauer: zwischen Instanzen benachbarter Schichten innerhalb
eines Systems
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Protokoll und Dienst
• Protokoll = Vereinbarung über das Kommunikations-verhalten
zwischen Instanzen verschiedener Systeme in derselben
Schicht
• Dienst = Service = An der Schnittstelle zwischen direkt
benachbarten Schichten erbrachte Leistung der unteren Schicht
durch Ausführen geeigneter Protokolle
• Ein Dienst kann auch als Angabe, was zu leisten ist, verstanden
werden, während das Protokoll angibt, wie dieses Was realisiert
wird.
• Ein Dienst ist damit die Spezifikation der Leistung eines
Protokolls.
Daher kann es mehrere Protokolle geben, die dieselbe Leistung
erbringen, d.h. denselben Dienst realisieren.
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Protokoll I
Bei Ausführen von Protokollen werden über die nächst unterliegende Schicht Einheiten von Daten ausgetauscht, die
Protocol Data Units (PDU) genannt werden.
System 2
System 1
Entity 1
Protokoll der Schicht N
PDU
SAP
SchichtN-1
PDU
Entity 2
SAP
Verbindung der Schicht N-1
Aus der Sicht der Schicht N gibt es eine Verbindung zwischen den beiden
SAP der Schicht N-1, deren interne Realisierung gegenüber der Schicht N
verborgen ist.
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Protokoll II
Durch Stapeln von Schichten werden die PDUs der Schicht N+1 als
Daten der Schicht N betrachtet, d.h. PDUs der Schicht N+1 liegen in
den Datenfeldern der PDUs der Schicht N. Dies erfolgt analog bis zur
Schicht 1.
Entity 11
Entity 1
PDU N+1
Verbindung der Schicht N+1
Protokoll der Schicht N+1
PDU N
Verbindung der Schicht N
Protokoll der Schicht N
SAP
SchichtN-1
Entity 22
Entity 2
N+1
N
N+1
N-1
N
SAP
PDU N-1
Verbindung der Schicht N-1
Protokoll der Schicht N-1
Kopf
System 1
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N+1
Daten
System 2
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Die sieben Schichten I
Application
Anwendung
Presentation
Darstellung
Session
Steuerung
Transport
Transport
Network
Vermittlung
Link
Steigender
Abstraktionsgrad
hinsichtlich
Eigenschaften
Steigender Grad
der Anreicherung
von Leistungen
Sicherung
Physical
Übertragung
Vertikaler Schnitt durch ein System
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Die sieben Schichten II
• Die oberste Schicht (Application Layer, Anwendungsebene)
enthält die Applikationen zusammen mit ihrer Kommunikation
untereinander.
Die Schicht 7 realisiert einen Dienst, dessen Benutzung nicht
mehr vom OSI-Modell behandelt wird.
• Alle anderen Schichten realisieren nur Kommunikation, die
jedoch unabhängig von den Anwendungen ist.
• Die unterste Schicht benutzt keinen Dienst, sondern realisiert
die Übertragung entsprechend seiner Art, z. B. über
Kupferkabel, Lichtwellenleiter oder mit elektromagnetischen
Wellen.
• Alle anderen Schichten benutzen über SAPs Dienste der
unteren Schicht und erbringen über SAPs Dienste an die nächst
höhere Schicht.
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Physical Layer (Übertragungsschicht)
•
•
•
•
Medium samt Zugang (Stecker, Verstärker etc.)
Physikalische Verbindung zwischen benachbarten Knoten
Übertragung und Kodierung der Informationen
Verbindungen sind real
– 2-Punkt: z. B. direkte Drahtverbindung, Lichtwellenleiter
– 3-..Mehr-Punkt: Draht oder "Äther" (Radio Networks)
• Medien haben meistens Broadcast-Charakteristik.
• Das Medium hat eine bestimmte Güte, die sich u.a. aus
– Übertragungsrate und
– Fehlerrate
zusammensetzt.
• Herstellung von Synchronität während der Übertragung
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Link Layer (Sicherungsschicht)
Aufgaben der Sicherungsschicht
• Verbesserung der Güte, insbesondere der Fehlerrate durch
– Fehlerprüfungen, z. B. Checksum (CRC)
– Nummerierungen der Datenpakete
– Wiederholungen von verlorenen Paketen
•
•
•
•
Adressierung verschiedener Stationen
Datenflusskontrolle
Meistens Unicast- und Broadcast-Kommunikation
Multiplexing verschiedener Verbindungen
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Schicht 1 + 2 – Multiplexing I
System 1
Entity
Entity
Entity
Entity
Entity
Entity
Entity
Entity
De-Multiplexen
Multiplexen
(2)
System 2
Entity 1
(1)
Entity 2
Link Layer
Physical Layer
Herstellen von virtuellen Link-Layer-Verbindungen an verschiedene
SAP zur Schicht 3. An jedem dieser SAP enden eigene Verbindungen.
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Schicht 1 + 2 – Multiplexing II
Station 5
Station 1
Station 2
Station 3
Station 4
Beispiel einer Vernetzung auf der Schicht 1. Die Stationen 1, 2 und
3 sind jeweils paarweise verbunden, während 2, 4 und 5 gemeinsam
durch ein Medium verbunden sind, z. B. mit einem Bus.
Die Verbindung 1 mit 2 ist damit getrennt von der Verbindung 2 mit 3.
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Network Layer (Vermittlungsschicht)
• Die Netzwerkschicht (Vermittlungsschicht) stellt Ende-zu-Ende
Verbindungen zwischen Systemen her. Es wird eine virtuelle
Verbindung durch ein Netzwerk realisiert.
• Endsystem = System mit Quelle oder Senke auf der
Anwendungsebene für die Kommunikation
• Transitsystem = Relay = System mit Ebenen 1 bis 3 mit der
Aufgabe des Datentransports innerhalb eines Netzwerks
• Aufgaben der Netzwerkschicht:
– Wegewahl (Routing) innerhalb Netzwerke sowie über
Netzwerkgrenzen hinweg (Ein Übergang zwischen Netzwerken ist
kann auch ein Übergang von Technologie zu einer anderen sein)
– Anpassung der Paketgröße an Netze (Segmenting, Fragmentieren)
– Multiplexing verschiedener Verbindungen
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Beispiel I
Station 5
Station 1
Endsystem B
Transitsystem
Network Layer
Station 2
Endsystem A
Link Layer
Physical Layer
Station 3
Station 4
In diesem Beispiel werden die Verbindungen von drei Ebenen gleichzeitig
gezeigt. Es wird eine (3)-Verbindung zwischen System 1 und 5 hergestellt.
An dieser Verbindung arbeiten drei Instanzen (System 1, 2 und 5).
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Beispiel II - Über Netzwerke geht es auch
Netzwerk A
Netzwerk B
Netzwerk C
Netzwerk D
Schnitt längs innerhalb der Netzwerkschicht
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Transport Layer
Aufgaben der Transportschicht
• Realisierung von virtuellen Verbindungen zwischen Prozessen,
Programmen (Instanzen) in den Endsystemen
• Ausgleich der Güte von Teilnetzen; d.h. auch hier
Fehlerbehandlung
• Optimierung der Kosten durch geeignete Wahl der Netze
• Datenflusskontrolle
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Beispiel
System 2
System 1
Entity 1
Entity 2
Entity 3
SAP
SAP
System 3
Entity 4
SAP
Verbindung der Schicht 3
Verbindung der Schicht 3
Instanzen (1,2) und (3,4) kommunizieren über zwei Netzwerkverbindungen
ohne ein Multiplexen (da sie die einzigen Paare jeweils sind)
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Session Layer (Sitzungsschicht)
• Die Aufgaben der Sitzungsschicht (Steuerungsschicht):
– Anwendungsorientiert die Kommunikation in Form von Sitzungen
(zeitliche Abschnitte mit spezifischen Aufgaben) zu strukturieren
– Wiederaufsetzpunkte (Recovery Points) zu definieren und zu
benutzen, d.h. in Fehlerfällen nur den Datentransport seit dem
letzten Wiederaufsetzungspunkt wiederholen
– Verbindungen auch nach Netzausfall erhalten
• Alle Verbindungen oberhalb der Transportschicht stehen im
Verhältnis 1:1. Jeder Instanz der Anwendungsschicht wird
jeweils eine eigene Instanz in den Schichten 4, 5 und 6
zugeordnet.
• In der Praxis kaum realisiert, fehlt im Internet, da diese
Aufgaben aber trotzdem bestehen, muss die Realisierung der
Sitzungen in den Anwendungen erfolgen.
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Presentation Layer (Präsentationsschicht)
• Die Aufgaben der Präsentationsschicht sind:
Anpassung, Abbildung bzw. Umformung der internen
Datenrepräsentationen mit dem Ziele der Erhaltung der
Semantik, so dass dieselbe Zahl, dasselbe Zeichen etc. trotz
unterschiedlicher interner Repräsentationen gleich "verstanden"
wird.
• In der Praxis kaum realisiert, fehlt im Internet. Da diese
Aufgabe aber trotzdem besteht, wird die Behandlung der
Kodierungen in den Anwendungen realisiert.
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Application Layer (Anwendungsschicht)
• Aufgaben der Anwendungsschicht:
– Ausführen der anwendungsspezifischen Protokolle
– Erledigen der eigentlichen Aufgaben
• Alles, was beim Session- und Presentation-Layer weggelassen
wurde, wird meist hier in der Anwendungsschicht gelöst, was zu
komplexer Software führt, da jede Software dieselben Aufgaben in
diesem Bereich hat (anstatt diese Aufgaben einmal zentral für alle
Anwendungen zu lösen).
• Die Anwendungsschicht könnte weiter in Unterschichten aufgeteilt
werden (in realen Implementierungen erfolgt dies auch, nicht aber
im OSI-Modell).
• Beispiele für anwendungsspezifischer Protokolle: Unterstützung von
Datenbank-Transaktionen, Webservices oder Remote Procedure
Calls etc.
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Protokollstacks und Suites
• Ein Protokollstack oder eine Protokollsuite ist die konkrete
Implementierung der unteren 6 Schichten eines Systems.
• Da es mehrere Protokolle zur Realisierung eines Dienstes gibt,
ist es möglich OSI-konform zu sein und trotzdem inkompatibel
zu anderen Systemen.
• Kompatibilität ist nur dann gewährleistet, wenn die
Protokollstacks gleich sind.
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Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung....
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